[發明專利]一種膜電極的制備工藝和裝置

有效

• 申請號: 201911111366.5
• 申請日: 2019-11-14
• 公開（公告）號: CN110854393B
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發明（設計）人: 田博元;劉少名;宋潔;許可;梁丹曦;李璐;康偉;楊岑玉;徐桂芝;鄧占鋒
• 申請（專利權）人: 全球能源互聯網研究院有限公司;國網山西省電力公司;國家電網有限公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M8/1004
• 代理公司: 北京三聚陽光知識產權代理有限公司 11250
• 代理人: 周淑歌

本發明涉及一種膜電極的制備工藝和裝置，屬于燃料電池技術領域，所述的膜電極的制備工藝，包括單側催化劑層的制備步驟：將聚合物膜先沒入催化劑溶液中，再提拉出催化劑溶液，在聚合物膜的一側形成第一催化劑薄膜，對所述第一催化劑薄膜進行加熱滾壓，得到單側涂布催化劑層的聚合物膜；雙側催化劑層的制備步驟：將聚合物膜沒入催化劑溶液中，再提拉出催化劑溶液，在聚合物膜的另一側形成第二催化劑薄膜；對所述第二催化劑薄膜進行加熱滾壓，得到膜電極。制備得到的膜電極具有與催化劑結合強度高，均勻性好的優點，而且操作簡單，不需要復雜的翻轉過程，實現了膜電極兩側的催化劑的一次性快速涂布和加熱滾壓，提高生產效率。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，具體涉及一種膜電極的制備工藝和裝置。

背景技術

電解制氫技術、燃料電池發電技術及二氧化碳還原技術在未來交通、能源轉化及固定式發電領域中具有巨大的發展潛力。以上技術的核心材料均是膜電極(MembraneElectrode Assembly，MEA)，MEA是燃料電池壽命、成本以及可靠性的決定性因素。

膜電極是由固體聚合物電解質(聚合物膜)兩側不同催化劑組成，同時具有催化反應與離子傳輸的功能。膜電極催化劑可以采用Pt/C催化劑、Ir/Ru催化劑、Cu基催化劑，等等。膜電極的發展已經經歷了三個階段：一是通過熱壓法制備，采用絲網印刷、噴涂、涂覆和流延等方法將催化劑制備到氣體擴散層(GDL)表面，浸漬聚合物電解質溶液，干燥后將其放到聚合物電解質膜的兩側，熱壓，形成MEA。該方法在工藝上制備簡單，但是催化層與聚合物電解質膜的結合性能較差。二是使用噴涂法或轉印法直接將催化劑漿料噴涂到聚合物電解質膜上，此法相較于第一種方法可以有效的提高聚合物電解質膜與催化層之間的結合能力。

例如，中國專利文獻CN100384001A公開了一種直接噴涂制備燃料電池膜電極的方法，通過將膜固定于固定裝置上，直接噴涂膜的兩面，經過低溫真空干燥制得，然而由于聚合物膜在干燥脫水時會因膜的溶脹性而導致其發生變形，增大聚合物膜局部應力，從而造成電池性能的下降。

中國專利文獻CN109830718A公開了一種燃料電池膜電極的生產方法，包括如下步驟：S1、將催化劑和全氟磺酸溶液倒入混合溶劑中，混合均勻后，分散，制備催化劑漿料備用；S2、通過保水物質沉積的碳載體制得復合載體，再將復合載體上擔載貴金屬制得電催化劑備用；S3、將步驟S1中制得的催化劑漿料使用噴涂槍噴涂在聚合物膜的A面；S5、將聚合物膜平鋪在平臺上，使得聚合物膜的B面朝上，將步驟S2中制得的電催化劑采用油壓機熱壓至聚合物膜的B面；S7、聚合物膜的A面放置碳紙氣體擴散層，然后熱壓，再在聚合物膜的B面放置聚四氟乙烯薄片，熱壓后獲得燃料電池膜電極。

上述工藝雖然通過增設熱壓過程改善了膜溶脹變形的問題，然而采用該種向膜兩面分別噴涂催化劑的方式不僅造成催化劑涂布的均勻性較差，而且生產設備繁多，產率較低，需要另外配置熱壓機，而且單次僅能在聚合物膜的單面噴涂催化劑，噴涂第二面時需要翻轉工程，工程復雜，而且在翻轉過程中易引入不確定性因素，造成均勻性進一步降低，從而影響膜電極的性能，不適合批量制備。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于克服現有的工藝制備的膜電極均勻性差，催化劑與膜結合強度低，設備繁多和產率低下的問題。

為此，本發明實現上述目的的技術方案為：

一種膜電極的制備工藝，包括，

單側催化劑層的制備步驟：

將聚合物膜沒入催化劑溶液中，再提拉出催化劑溶液，在聚合物膜的一側形成第一催化劑薄膜，對所述第一催化劑薄膜進行加熱滾壓，得到單側涂布催化劑層的聚合物膜；

雙側催化劑層的制備步驟：

將聚合物膜沒入催化劑溶液中，再提拉出催化劑溶液，在聚合物膜的另一側形成第二催化劑薄膜；對所述第二催化劑薄膜進行加熱滾壓，得到膜電極。